基于聲發射的全尺寸飛機靜強度損傷監測

韓 暉，寧 寧，肖迎春，劉國強，李 明

（中航工業飛機強度研究所 全尺寸飛機結構靜力／疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065）

全尺寸飛機靜強度試驗是驗證飛機結構安全性，判斷飛機能否實現首飛的重要保證。在試驗中使用了各種無損檢測方法來保障結構安全，但這些常規方法基本屬于事后檢測，對試驗過程中出現的各種聲響，無法完全判斷其來自何處、是否由結構損傷引起。因此，常規檢測具有一定局限性和盲目性，且極易忽略結構中非薄弱部位的損傷。而聲發射（Acoustic Emission，AE）作為一種動態、被動損傷監測技術可全程對結構實時監測，通過在不同區域布置傳感器捕捉結構異響來全面掌握結構各部分強度等情況，及時發現損傷并定位，了解結構損傷的產生和擴展，給判定飛機結構安全性和準確定壽提供科學依據，聲發射監測飛機靜強度試驗原理如圖1所示。

目前，國外發達國家已將聲發射技術作為重要檢測和研究手段，美國NASA、海空軍及從事直升機研制生產的BOEING VERTOL公司等更是將聲發射技術用于飛機的研制和生產中。瑞典SAAB的JAS－39飛機幾年前就已采用聲發射系統完成了整機靜強度試驗監測，取得較滿意的效果。而國內，吳惠勇［1］曾利用聲發射技術預警監測了一些疲勞試件，耿榮生教授［2］對兩類三代機的疲勞試驗進行過全程聲發射監測，并發現了重要損傷，但基于聲發射技術對全尺寸飛機靜強度進行損傷監測的研究卻并不多，對其研究還有待深入。

圖1 聲發射監測飛機靜強度試驗原理示意

筆者通過對某型機靜強度進行聲發射監控，利用參數分析法，采用區域定位，在滿足監測效率和工程精度的前提下，獲取飛機結構在不同載荷狀態下不同部位的聲發射信號特征及損傷發生時刻，為飛機結構的強度研究和耐久性損傷容限設計提供參考，亦為聲發射全機監測技術積累經驗。

1 聲發射源定位原理

聲發射源發出的彈性波，經介質傳播到達被檢物體表面，引起表面機械振動，傳感器將結構表面的瞬態位移轉換成電信號，再經放大、處理后形成特性參數，并被記錄與顯示。最后通過對數據的解釋，評定聲發射源的特性，其簡單物理模型為：

式中：A（t）和θ（t）分別為聲發射信號的波形包絡幅度調整公式與頻率調整公式。

對于全機靜強度試驗損傷監控，最需要解決的兩個重要問題是：①確定損傷位置。②確定損傷時刻所對應的載荷大小。其中，如何確定聲發射源（損傷位置）是聲發射監測的重點。常見聲發射源定位方法有以下幾種。

（1）區域定位法，即將聲發射源確定在被檢件上的某個指定區域。其對傳感器布置無特殊要求，但要求檢測區域內源信號至少被一個傳感器接收到，如圖2所示。該方法的優點是傳感器布置靈活，操作簡便，但僅表示一定區域，無法精確定位。其主要用于大型構件或復合材料等聲發射頻度過高或傳播衰減過大或檢測通道數有限的場合。

（2）時差定位法：指在兩個或兩個以上傳感器組成的定位陣列中，通過信號到達各通道的時序，以先到達信號的起始時刻為基準計算出信號到達其它通道的時差，結合陣列中傳感器間距和聲速來確定聲源位置［3－4］。利用時差定位法進行一維定位的原理，如圖3所示。

圖2 獨立通道監視區域定位示意

圖3 一維定位原理

（3）基于模態分析的傳感器定位法［5］。該方法基于Lamb波的頻散特性建立，只適用于固體薄板。圖4為采用合適寬頻傳感器采集到的薄板中的典型聲發射信號，其中波形前幅度較小的部分為膨脹波，后面幅度較大的三角波為彎曲波。通過測定特定頻率下兩種不同模態波的峰值達到傳感器的時差Δt，利用式（2）確定聲源與傳感器的間距。

式中：D是聲源與傳感器的間距；CS為膨脹波的波速；CA為彎曲波的波速。

該方法的局限性在于：僅適用于能產生Lamb波的固體介質；有時無法從獲得的信號中區分出不同模態的波。

圖4 OOP聲發射源在薄板中的典型信號［6］

由于時差定位法在各向異性復合材料和復雜外形結構件中使用受限，因此逐漸發展出其他定位方法，如虛擬波陣面法［7］、基于神經網絡的定位法［8］、Delta T Mapping定位法［9］等方法。這些方法在操作過程中均需完成較復雜的計算，在形狀復雜的試件表面難以實施，故其在工程上的應用也受到限制。

2 AE監測對象與監測系統

2.1 監測對象

試驗主要考核飛機某部位結構的強度，根據試驗要求和結構具體情況布置傳感器。重點監控部位有：左側結構部件連接右接頭；左側結構部件連接左接頭；右側結構部件連接右接頭；右側結構部件連接左接頭；左側結構部件連接桿件。

2.2 聲發射設備及參數設置

試驗監測設備采用美國PAC 公司PCI－8型8通道的聲發射監測系統，傳感器布置（局部）如圖5所示。由于飛機結構復雜，各部分衰減不同，在兼顧監測效率和工程精度的要求下，采用區域定位法。

圖5 聲發射重點監測部位（局部）

聲發射監測的主要困難在于試驗過程中的大幅度機械噪聲干擾。噪聲源主要來自于結構在載荷下的位移和摩擦，幅度大且頻率分布廣而使得裂紋萌生、擴展產生的聲發射信號被淹沒。為減少噪聲的影響，采用濾波方法減少環境干擾。通過斷鉛模擬聲發射信號對設備參數進行調試，并確定每個傳感器的監測范圍、合理布置傳感器。設置聲發射采集儀參數如下：采用固定門檻，幅度門檻設置為40dB，前放增益40dB，峰值定義時間（PDT）設為300μs，聲發射事件定義時間（HDT）為600μs，波擊閉鎖時間（HLT）為1 000μs，采樣率為1 MHz，頻率帶寬100～400kHz。

2.3 監測方法

按試驗大綱要求，為及時準確地捕捉裂紋的產生與擴展過程，并與加載時刻一一對應，因此采用采集與加載同步的方法，分段采集完成聲發射現場損傷監測。

3 監測結果及分析

3.1 信號分析

參數分析法中，常用參數包括信號幅度、能量和撞擊等。其中，以經過增益放大后的信號檢波包絡線下的面積作為能量參量，常以計數表示，其只有數學上的意義，而非聲發射信號的真實能量。加載過程中，結構載荷加載至80%時，結構出現較大響聲。對照圖6來看，通道1、4都檢測到了大幅度信號，最大幅度均超過85dB。但對應的最大能量分別僅有1 200、1 600，參考調試時斷鉛信號情況，不能判定此時結構出現損傷。

圖6 75%～80%限制載荷時各通道的聲發射信號

圖7 90%～95%限制載荷時各通道的聲發射信號圖

結構在85%載荷作用下，通道1、4出現兩次大幅值信號，最大幅值都超過90dB。結合同時刻兩通道所對應的其他聲發射信號參數變化情況，判斷結構進入了塑性變形或出現了損傷。載荷加載至95%時的聲發射信號如圖7所示，通道1、4檢測到幅度超過98dB的異常信號且出現了第二個聲發射信號高峰。再結合此時刻兩通道對應的能量圖7（b）（通道1為29 000，通道4為40 000），懷疑在結構中間區域出現了裂紋。后經監控錄像驗證，監測部位壁板在85%載荷時刻出現較大變形，在95%載荷加載過程中出現局部斷裂。繼續加載，加載至115%載荷過程中，監測系統又監測到一次異響。圖8（a）顯示，異響對應時刻是在加載至105%載荷的時刻。此時通道1、4所檢測到的最大信號幅度為97dB，最大能量［如圖8（b）所示］分別為13 000，14 500，并且撞擊計數［圖8（c）］在此時達到高峰。根據以上分析，懷疑結構在監測部位中間區域又出現了嚴重損傷，可能出現結構斷裂。將情況報告試驗指揮，現場停止試驗。

圖8 100%～110%限制載荷時各通道的聲發射信號

3.2 無損檢測結果

根據聲發射監測情況提示，在試驗停止后對可疑區域進行無損檢測，發現飛機左側結構中聲發射監測部位壁板最終出現約130 mm 長的斷裂裂紋，此外還有多處鉚釘斷裂和螺釘斷裂，如圖9 所示。而聲發射監測在加載至85%載荷時就已預警結構變形，并隨后及時預測監測區域可能出現早期裂紋，明顯早于常規檢測方法。無損檢測結果和試驗視頻監控證明了聲發射監測的實時性和有效性。

圖9 結構損傷圖處

4 結語

全尺寸飛機靜強度試驗是飛機設計、制造、試驗、試飛中的重要一環。基于聲發射技術完成了某型機靜強度的損傷監控，通過對聲發射信號的分析，成功判斷出飛機某部位聲發射監測區域壁板進入變形階段至斷裂的過程，充分說明聲發射技術在飛機結構健康監測中具有重要的作用。在靜力試驗中應用聲發射技術實施損傷監測，可及時發現結構各部位損傷，為飛機設計和強度研究人員確定結構承載力提供有益參考，并為新機首飛贏得寶貴時間。

［1］范靖，吳惠勇.聲發射技術在試件疲勞試驗中的預警作用［J］.飛機設計，2011，31（2）：44－46.

［2］耿榮生，景鵬.聲發射技術在全尺寸飛機疲勞試驗中的應用［J］.應用聲學，2013，32（4）：14－19.

［3］MILLER R K，MCLNTIRE P.Acoustic Emission Testing［M］.Columbus，OH：American Society for Nondestructive Testing，1987.

［4］沈功田.聲發射源定位技術［J］.無損檢測，2002，24（3）：24－27.

［5］MAJI A K，SATPATHI D.Acoustic emission source location based on lamb waves［J］.Proceedings of Engineering Mechanics，1995.

［6］耿榮生，沈功田，劉時風.模態聲發射——聲發射信號處理的得力工具［J］.無損檢測，2002，24（8）：21－25.

［7］劉治東，龐寶君，唐頎.基于虛擬波陣面的層合板聲發射源定位［J］.壓電與聲光，2010，32（6）：163－167.

［8］李冬生，何林，歐進萍.神經網絡技術在聲發射定位中的應用［C］∥中國第十屆聲發射學術研討會論文集.大慶：中國機械工程學會，2004.

［9］SCHOLEY J J，WILCOX P D，WISNOM M R，et al.Two－dimensional sourcelocation techniques for large composite plates［C］∥The 28th European conferenceon acoustic emission testing.Cracow：［s.n］，2008.